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VENTilación VENTajosa: Reducción del coste energético como por arte de magia

Por Tom Godbey, especialista en aplicaciones de Donaldson Torit, y Dan Johnson, ingeniero de aplicaciones de Donaldson Torit 

La industria consume el 27 % de la energía eléctrica minorista que se produce en Estados Unidos, y los ventiladores y las bombas representan el 40 % de ese porcentaje (siendo los ventiladores los sistemas que la acaparan).(Ref 1 y 2)  Sin embargo, ¿cuándo fue la última vez que su empresa realizó una auditoría del aire para ver cuánto aire circula al día y la potencia utilizada para moverlo? La mayoría de las plantas mueven más flujo de aire que el producto generado, y se necesita una cantidad significativa de energía para moverlo. Dado que la energía es dinero, si podemos ahorrar energía para hacer que el aire circule, podemos ahorrar dinero y reducir el coste del producto generado.

El aire tiene peso y, por eso, debemos seguir un buen criterio de ingeniería cuando se trata de sistemas de escape.  El aire estándar se define como un gas que contiene:

  • un 78,1 % de nitrógeno,
  • un 21 % de oxígeno,
  • un 0,9 % de argón y
  • cero humedad, a nivel del mar y a una temperatura de 21,1° C (70° F).

En condiciones estándar, el aire pesa 1201 gramos por metro cúbico (0,075 lb/ft³).  Un sistema estándar de extracción de polvo con un conducto de entrada de 76,4 cm (30 pulgadas) de diámetro que vaya hasta un ventilador gestiona aproximadamente 28 883 metros cúbicos de aire por segundo (17 000 cfm). O, en términos de peso, el ventilador gestiona más de 303 906 toneladas de aire (o 335 000 toneladas) al año basándonos en un funcionamiento de 24 horas al día. Muchas instalaciones tienen sistemas múltiples como este. 

¿Cuánto dinero gastamos en la circulación de aire en una planta?  La energía es dinero, por lo que implementar cambios que ahorren energía es como meter dinero en el banco.  Este documento se centrará en el coste de circulación del aire a través del sistema, o lo que es lo mismo, el coste de funcionamiento del ventilador, en lugar de los costes asociados al calentamiento, enfriamiento o la humidificación del entorno de trabajo.

La potencia necesaria en el eje de un ventilador se conoce comúnmente como la potencia al freno [Bhp] del ventilador. La Bhp se puede calcular con esta fórmula:(Ref 3) 

bhp = (Q x ∆P / 6356 x Nf) x df 

Donde           

bhp     caballos de potencia del eje del ventilador
Q         flujo de aire en pies cúbicos por minuto (cfm) 
∆P       caída/subida de presión en el ventilador en columna de agua por pulgada (″ wg) 
6356   constante  
Nf        eficiencia del ventilador expresada como decimal 
df        factor de densidad definido como la densidad real/densidad de aire estándar

En este documento, se asumirá que el aire está en condiciones estándar, por lo que df = 1.

Las eficiencias típicas de los ventiladores oscilan entre el 60 % y el 68 % para ventiladores de aspas radiales y entre el 70 % y el 80 % para diseños de ventiladores inclinados hacia atrás. El tipo de ventilador utilizado en un sistema de venteo industrial debe determinarse según sus requisitos de uso y rendimiento. Los diseños de ventilador de aspas radiales se usan normalmente en flujos de aire sucios, mientras que los diseños de ventiladores inclinados hacia atrás se emplean en flujos de aire relativamente limpios, como en el lado limpio de un captador de polvo. Por desgracia, muchos de los ventiladores antiguos presentan un diseño con aspas radiales ineficientes. Pueden presumir de características de rendimiento sólidas, pero se instalaban con poca o ninguna consideración en cuanto al consumo de energía, porque la energía era barata en el momento de su compra.

Los costes de energía se contabilizaban en kilovatios (kW), no Bhp; por lo tanto, la Bhp debe convertirse a kW.  Para convertir la Bhp a kW, simplemente multiplique la Bhp por 0,746.  Pero para obtener la energía total en el motor, esta energía del eje debe dividirse por la eficiencia del motor, Nm.

La eficiencia del motor depende de su diseño, no obstante suele rondar el 90 por ciento [0,9].  A menudo, se producen pérdidas eléctricas adicionales en los arrancadores y pérdidas de transmisión en las tuberías entre el medidor eléctrico y el motor. Estas pérdidas son pequeñas y, a efectos de considerar ahorros relativos, son lo suficientemente insignificantes como para agruparlas en la eficiencia del motor del 90 %. Ahora, multiplique los kW ajustados por las horas de funcionamiento y el coste de la electricidad por kW hora.

Coste anual = (Q x ∆P x 0,746 x H x 52 x C) / (6356 x Nf x Nm)

Donde

52         Semanas de funcionamiento al año
H          horas de funcionamiento por semana
C          coste por kW hora

Sí, el 6356 y el 0,746 se pueden combinar en una sola constante, pero luego la cadena lógica se rompe. Esto responde a la pregunta: ¿Qué constituye el coste de energía del aire?

¿Qué partes de la fórmula de coste de energía podemos controlar?

De todos los elementos en esta fórmula, los únicos en los que los diseñadores y operarios de sistemas de ventilación industrial pueden influir son el flujo de aire y la pérdida de presión.

¿Cómo controlamos estas variables?

Si el objetivo es minimizar la energía, entonces el flujo total de aire en el sistema debe reducirse al mínimo y el diseño debe reducir la pérdida de presión (o la resistencia al flujo) tanto como sea posible durante el mayor tiempo posible.

Ejemplos para lograr estos controles y ahorrar energía

Prácticas recomendadas para el diseño

Una forma de minimizar el volumen de aire y reducir las pérdidas de presión en un sistema de filtración es seguir unas prácticas recomendadas para el diseño desde el principio.  El diseño es un tema demasiado amplio y extenso como para abarcarlo por completo en este documento, pero existen muchos recursos de consulta sobre el diseño, como las conferencias de ventilación industrial. (http//www.michiganivc.org) entre otros. Estas conferencias son cursos de formación sobre cómo diseñar sistemas de escape que funcionen con la menor cantidad de volumen de aire total, con una pérdida de estática/resistencia mínima del sistema y un rendimiento máximo del ventilador.

Muchas plantas tienen instalaciones similares a la ilustrada en la Figura 1.

Figura 1. Codo en la entrada del ventilador al captador de manga.

En apariencia externa, esta es una instalación muy agradable; pero hay un problema con el codo en la entrada del ventilador. Para que un ventilador funcione con la máxima eficiencia, necesita entre tres y cuatro diámetros de conductos rectos en la entrada entre el último codo y la entrada real del ventilador. (Ref 4)  Sin ese tramo recto, el aire no llena de manera uniforme la entrada del ventilador, y este funcionará a una velocidad inferior a la publicada y no ofrecerá el flujo de aire de diseño.  De hecho, la ubicación del codo en la entrada equivale a una pérdida de presión de 0,9″ wg en el sistema.

Si imaginamos un sistema de 17 000 cfm que funciona las 24 horas al día con un ventilador de una eficiencia del 80 % a 0,09 dólares por kW hora, la instalación consume un total innecesario de 1960 dólares al año en energía.  Se incurre en ese coste cada año que el sistema esté en funcionamiento.  Si el diseño del equipo y el coste de mover el ventilador una longitud equivalente a 4 diámetros desde el codo no son prácticos, desatornillar el codo y reemplazarlo por un codo idéntico con tres aspas giratorias podría reducir ese desembolso anual a tan solo 435 dólares, con lo que ahorraría unos 1525 $ y el sistema ofrecerá un mayor flujo de aire sin gastos adicionales.

Según un proveedor nacional de componentes de conductos, el coste de instalación de las aspas giratorias dentro de un codo de 5 piezas y 76,4 cm (30 pulgadas) de diámetro en la instalación inicial es de aproximadamente 300 $. Compare eso con los 1100 dólares de instalación del codo nuevo como una adaptación, además de que harían falta dos personas de mantenimiento y medio día para su reemplazo. (Ref. 5)

Un buen diseño es importante.  Un diseño que no sea óptimo tiene un coste adicional, siempre que el sistema esté en funcionamiento.

Sistemas centrales

Los sistemas convencionales de control de polvo consisten en extractores, conductos, un captador de polvo con tolva, un dispositivo de eliminación de polvo y un ventilador.

Leyes de ventiladores o Leyes de sistemas

La presión se nota en las instalaciones para obtener más toneladas de producción y, con el tiempo, aumentan las velocidades de la cinta transportadora, se mejoran los motores de los elevadores de cangilones, etc. Pronto, el sistema de escape dejará de ser adecuado, ya que nunca se aumentaron los flujos de aire para adaptarse a la mayor producción. ¿Cuál es la respuesta? La respuesta clásica es acelerar el ventilador para que eso mejore el flujo. Pero, deberá pagarlo, y pagarlo con creces. Las leyes de la ciencia física rigen lo siguiente. Se conocen como Leyes de ventiladores o Leyes de sistemas y se muestran en estas ecuaciones: (Ref. 3)

cfm (nuevo)  =  cfm (anterior) x [rpm (nuevo) / rpm (anterior) ]

El cambio en el flujo es directamente proporcional al cambio en la velocidad.  Si se desea un aumento del 20 % en el flujo, la velocidad del ventilador debe aumentarse un 20 %.

SP (nuevo) = SP (anterior) x [rpm (nuevo) / rpm (anterior) ]2

Un aumento del 20 % en la velocidad del ventilador da como resultado un aumento del 40 % en la presión estática (SP).  Esto se debe a que un aumento del 20 % en el flujo de aire a través de un sistema de conductos fijos hace que la resistencia del sistema aumente un 40 %.

HP (nuevo) = HP (anterior) x [rpm (nuevo) / rpm (anterior) ]3

El requisito de potencia y, por lo tanto, el requisito de energía, es una función cúbica del cambio en la velocidad del ventilador para que el aumento del 20 % en el flujo (y, por lo tanto, la velocidad) aumente el requisito de energía aproximadamente un 73 %; eso es mucho dinero por solo un 20 % más de flujo.

Si no se arranca todo el sistema y se reemplaza a un coste mayor, ¿qué debe hacer un ingeniero de instalaciones? 

Considere uno o más de los puntos de captación del sistema de conductos central e instálelos con captadores de polvo específicos individuales. El aire se redistribuirá a través de los puntos de captación restantes, aumentando el flujo a través de los extractores restantes. Este nuevo captador específico será una versión más pequeña del captador central autónomo con un ventilador y dispositivo de descarga de polvo más pequeños. Si la aplicación lo permite, el captador específico puede ser lo suficientemente pequeño para integrarse en el conjunto del extractor como se muestra en las Figuras 3 y 4, eliminando el conducto y reduciendo aún más las pérdidas de estática.

Estos pequeños captadores de polvo específicos o integrales son tan fiables como los captadores de manga centrales más grandes y exigen mucha menos energía. En la Figura 3, un captador específico cerca del origen de polvo solo requeriría aproximadamente un 20 % más de energía en comparación con el 74 % requerido para un captador con una mayor velocidad del ventilador.  La versión integral de un captador dedicado tiene la ventaja adicional de no requerir ningún conducto, ni dispositivo de descarga de polvo, e incluso tener menores costes de energía, ya que se eliminan todas las pérdidas de conductos.

Figura 3. Captador de polvo en la transferencia de la cinta
Figura 4. Captador de polvo en el elevador de cangilones

Para maximizar el impacto, busque oportunidades para ubicar unidades específicas:

  • En los puntos de generación de polvo más alejados del captador de polvo central, o
  • en los puntos de generación de polvo donde el equipo de escape no está siempre en uso. A continuación, el captador específico se puede apagar cuando el equipo de producción al cual se le está extrayendo polvo no está en uso ni produciendo polvo. (Nada ahorra energía como pulsar el botón APAGADO cuando se necesita).
Medio filtrante de rendimiento

Recuerde que el ahorro de energía se obtiene al minimizar el flujo de aire y reducir la pérdida de presión, al mismo tiempo que se satisfacen los requisitos de la aplicación. Una forma de reducir la pérdida de presión es actualizar los medios filtrantes en los captadores de polvo tipo tela y de cartucho a medios de rendimiento más nuevos. Los medios de rendimiento se dividen en cuatro categorías generales:

  1. medios filtrantes con tratamientos en la superficie,
  2. medios de mangas plisadas,
  3. medios de tecnología avanzada y
  4. tecnología innovadora de configuración de medios filtrantes.
Medios filtrantes con tratamientos en la superficie

Los tratamientos en la superficie pueden mejorar el rendimiento de muchas formas: mayor eficiencia, disminución de la pérdida de presión del filtro, mayor resistencia a la humedad y la química, mejor decantación de la pasta de polvo y menos puenteo, por nombrar algunos.

Existen muchos tratamientos en la superficie, algunos son mecánicos, otros son modificaciones químicas o una combinación de ambos. El objetivo principal de los tratamientos en la superficie es retener y liberar la mayoría de las partículas en y desde la superficie de los medios.  Hacerlo mantendrá el filtro limpio durante más tiempo, lo que tendrá como resultado una menor pérdida de presión. Estos tratamientos también se pueden usar para aumentar la resistencia a la humedad y los productos químicos y reducir los puenteos.  Algunas de las superficies de medios filtrantes más comunes son:

  • Las mangas de filtro estándarsimples tienen un acabado de fieltro plano con una suavidad natural que se atribuye a las fibras abiertas. Estas fibras ayudan a capturar partículas finas y mantienen la pasta de polvo. Un problema específico del polvo como la proteína, el almidón y la cal hidratada, es que se aglomeran fácilmente y forman una pasta de polvo dura en presencia de alta humedad.
  • El acabado quemado se obtiene fundiendo las fibras de la superficie con una llama de gas para reducir la tendencia de las partículas de polvo de adherirse a la superficie.  Un acabado quemado, por lo general, ofrece una mejor decantación de la pasta de polvo y, por ende, menos pérdida de presión.
  • El acabado esmaltado, también conocido como acabado de cáscara de huevo, es la fundición y pulido de una capa microscópica de las fibras de los medios que crea una superficie resbaladiza para una mejor decantación de la pasta de polvo. Esto mejora la decantación de la pasta de polvo y da como resultado menos pérdida de presión operativa para algunos polvos muy constantes.
  • Los tratamientos con silicona ayudan a la acumulación inicial de la pasta de polvo y reducen la absorción de humedad en las fibras, lo que permite una mejor decantación del polvo sensible a la humedad y menos pérdida de presión operativa.
  • Acabado químico oleofóbico, hidrofóbico y universal son todos términos que describen el fieltro que se ha sumergido en un baño de fluorocarbono, escurrido y termofijado en el fieltro.  El fluorocarbono reduce la absorción de humedad y ácidos en las fibras y proporciona una superficie lisa para la decantación de la pasta de polvo. Puede aumentar la resistencia de la fibra a la hidrólisis de la humedad y el calor y aumenta la resistencia a la descomposición por ácido.
  • PTFE expandido es una membrana que puede adherirse térmicamente a la superficie de los fieltros perforados con agujas convencionales o telas tejidas.  Esta membrana proporciona altas eficiencias, una mejor decantación de la pasta de polvo y un flujo de aire mejorado, todo a un coste.

Hay disponibles otros tratamientos de superficie como la espuma acrílica, que se han desarrollado para adaptarse a los requisitos de sectores y aplicaciones específicas.

Mangas plisadas: La necesidad de poner cada vez más medios en un captador de manga para proporcionar un mayor flujo de aire, unida al deseo de mejorar el rendimiento de los captadores de tubos redondos convencionales existentes, fomentó la invención del filtro de mangas plisadas. Poner filtros de mangas plisadas en un captador de polvo existente también puede reducir la pérdida de presión y, por lo tanto, ahorrar energía. El filtro de mangas plisadas puede ser ovalado o redondo, como una manga convencional de 15,2 o 15,8 centímetros de diámetro (6 o 6,25 pulgadas), excepto que el medio está plisado para proporcionar más superficie de filtración total por pie lineal de longitud de filtro.

A menudo, los filtros de mangas plisadas pueden duplicar, o incluso triplicar, el área total del filtro de un captador de polvo existente. Esto no significa que la capacidad del flujo de aire del captador pueda triplicarse. Las mangas plisadas funcionan a velocidades de filtración mucho más bajas que las mangas de tela que reemplazan. En qué nivel será menor la velocidad de filtración dependerá de las características del polvo y el diseño de la carcasa del captador.  El reacondicionamiento de los captadores de manga existentes con mangas plisadas ofrece una forma potencialmente rentable de reducir la pérdida de presión en el captador, ya que una mayor área de filtro significa una menor resistencia al flujo de aire.  Los filtros de mangas plisadas están disponibles en una amplia gama de medios.  Los medios Spunbond con un tratamiento de superficie de nanofibras de alta eficiencia son bastante comunes. La tecnología de nanofibras mantiene el polvo en la superficie de los medios plisados, donde se expulsa fácilmente durante el ciclo de limpieza del captador. Los resultados son una menor pérdida de presión y menos emisiones que los medios Spunbond convencionales sin recubrimiento. Este medio está actualmente disponible tanto para mangas redondas u ovaladas como para filtros de cartuchos convencionales.

Medios de tecnología avanzada: Estos incluyen medios de denier graduado, compuestos, hidroentrelazados y de nanofibras electrohilados. Gran parte de esta tecnología de medios no existía hace 10 años y, a menudo, se introdujeron bastante después de que se compraran, instalaran y especificaran los medios filtrantes existentes. La actualización de los captadores mediante la instalación de medios de mayor rendimiento en un cambio de filtro programado puede disminuir significativamente la pérdida de presión operativa, además de aumentar la eficiencia y la vida útil del filtro.

  • Los medios de denier graduado están construidos con una capa de fibras de mayor diámetro en el lateral del aire limpio y una capa de fibras más finas en el lateral del aire sucio.  Esto mejora la filtración de la superficie a la vez que permite que se pierda menos presión y se mejore la limpieza por pulsos en comparación con un fieltro de fibras finas.

  • Los medios compuestos están construidos con dos tipos de fibra diferentes para aprovechar las características inherentes de cada uno. Uno de los materiales compuestos más comunes es una fina capa de fibras P84® en la superficie de un fieltro sintético de menor valor. P84® tiene una excelente eficiencia, decantación de la pasta de polvo y características de mayor resistencia al calor (es decir, una menor pérdida de presión), pero también cuesta más.  El poliéster es una fibra económica a la par que resistente. Una tela de P84® podría tener un coste prohibitivo si se compra solo para reducir la pérdida de presión, pero combinarla con una base de poliéster puede proporcionar una respuesta rentable para algunos problemas complejos de pérdida de presión y de calor.

  • Los medios filtrantes hidroentrelazados corresponden al proceso de fabricación de fieltro y utiliza chorros de agua a alta presión controlados por ordenador en lugar de agujas. Los procesos de fabricación habituales para medios filtrantes incorporan un proceso de perforado con aguja que tira, entrelaza y enreda las fibras para formar un fieltro grueso. La desventaja de este proceso de perforado con aguja mecánico es la incoherencia del espacio y tamaño de los poros de la fibra. Esta incoherencia afecta la eficiencia de filtración y la pérdida de presión permitiendo que el polvo viaje a través de la estructura de poros y que las partículas de polvo se carguen en profundidad (o se alojen dentro de la profundidad del fieltro), y bloqueen el flujo de aire, causando así una pérdida de presión excesiva a través de los filtros. El fieltro hidroentrelazado tiene poros de un tamaño mucho más uniforme y, por ende, poros más pequeños. Esto conlleva una reducción en la carga de profundidad y una disminución en la pérdida de presión.

  • El electrohilado es el proceso utilizado para producir medios de nanofibras, que es una capa elástica muy fina, continua y de 0,2 a 0,3 micras de espesor. Los medios de nanofibras forman una red permanente en la superficie del medio donde atrapan el polvo, lo que permite que el medio sea más eficiente a la hora de filtrar partículas submicrónicas, y proporciona una mayor vida útil del filtro al aumentar la eficiencia de limpieza por pulsos y asegurar una menor pérdida de presión durante un periodo operativo prolongado.

El proceso de electrohilado crea un material de filtro con una mayor proporción de fibras finas y un tamaño de poro más pequeño y consistente. Esta incoherencia y uniformidad crean un material de medio filtrante que carga el polvo de manera más efectiva en la superficie, lo que permite una limpieza por pulsos más eficaz y una menor pérdida de presión.  Ademas, este tamaño de poro más pequeño:

  • Retarda la carga de profundidad para facilitar una limpieza más eficiente del filtro y

  • disminuye las pérdidas de presión, lo que permite un mayor flujo de aire, mayor vida útil del filtro y menos emisiones.

Tecnología innovadora de configuración de medios

La tecnología de diseño de filtros más reciente combina las ventajas de la tecnología de nanofibras con la primera configuración de medios de este tipo. Utiliza canales estriados en contraste con los filtros de manga o medios de cartuchos plisados convencionales. Este diseño mejora considerablemente la eficiencia de la limpieza del filtro, y una mejor limpieza por pulsos reduce la pérdida de presión operativa, lo que aumenta el ahorro de energía.

Cómo ahorrar con medios de rendimiento

El mero hecho de colocar el captador de polvo con medios filtrantes de alto rendimiento no se traducirá en un ahorro de energía de inmediato. ¿Por qué no? Porque la menor pérdida de presión proporcionada por el medio da como resultado una menor presión en la entrada del ventilador y, a menos que ajuste el rendimiento del ventilador, el ventilador simplemente moverá más aire y usará más potencia (no menos). Para comprender el potencial de ahorro de energía en los medios de rendimiento, la velocidad del ventilador debe reducirse de manera que el flujo de aire se mantenga en el flujo de diseño original.

La Figura 7 es una curva de rendimiento del ventilador que muestra la curva de presión estática (SP) y la curva de potencia al freno (bhp). Impuesta sobre estas curvas de rendimiento se encuentra una curva del sistema, que representa la resistencia de todos los componentes en el sistema de captación (extractores, conductos, captador, etc.) menos la eventual pérdida de presión incrementada a través del medio filtrante.

Figura 7. La diferencia entre la curva de SP del ventilador y la curva del sistema es la presión disponible para la resistencia en las mangas (∆P).

Si el flujo de aire de diseño es Q1 con un diseño ∆P1 y se instalan mangas de alto rendimiento que funcionan a una menor pérdida de presión ∆P2, la presión estática en la entrada del ventilador se reduce a SP1, lo que se traduce en un mayor flujo Q2 y un aumento en la potencia bhp2 en la Figura 8. Se necesita un cambio mecánico en el sistema del ventilador para devolver el flujo al flujo de diseño Q1.

Figura 8. Cómo las mangas de alto rendimiento pueden afectar al rendimiento del sistema.

Una forma de reducir el flujo de aire al valor Q2 original es simplemente cerrar un regulador para reemplazar la resistencia estática como se ilustra en la Figura 9. Eso reduce el flujo de aire al nivel original, pero también devuelve la bhp al nivel original.   En efecto, el regulador está creando una nueva curva del sistema como se muestra en la Figura 10. Esto no logra el objetivo de reducir la energía.

Figura 9. Efecto en la resistencia del regulador.
Figura 10. El regulador crea una nueva curva del sistema.

Para obtener el ahorro potencial de energía, el requisito de bhp debe reducirse, y esto exige un cambio en la velocidad de rotación del ventilador. Las dos formas de cambiar la velocidad del ventilador son cambiar los motores de velocidad variable y realizar modificaciones simples en las correas y poleas. 

Figura 11. El efecto de la transmisión de frecuencia variable (VFD) en el ventilador.

Si el sistema no se ha medido, no habrá disponible una curva del ventilador o el flujo del sistema es variable, probablemente la solución más eficaz sea una transmisión de frecuencia variable (VFD).  Un VFD puede proporcionar un número infinito de curvas SP del ventilador y curvas de bhp correspondientes como se muestra en la Figura 11.  Solo al sintonizar la velocidad que provee el flujo deseado, puede obtener los beneficios de los cambios en la potencia al freno.

Recordemos la tercera Ley de ventiladores: Para un sistema fijo, la bhp disminuye proporcionalmente con el cubo del cambio en velocidad.

  • Una disminución del 5 % en la velocidad tiene como resultado un ahorro de energía de un 14 %                  0,953 = 0,86
  • Una disminución del 10 % en la velocidad tiene como resultado un ahorro de energía de un 27 %                0,903 = 0,73
  • Una disminución del 12 % en la velocidad tiene como resultado un ahorro de energía de un 32 %                0,883 = 0,68

La desventaja es que los VFD tienen un coste más alto que un simple cambio de correas y poleas. En un sistema de 40 hp, un VFD autónomo puede costar entre 5000 y 5500 dólares, y para su instalación dos electricistas deberán trabajar medio día, unas horas que podrían suponer una rentabilidad satisfactoria en muchas situaciones. 

Para un sistema fijo sin requisitos de variación en el flujo de aire, basta con un simple cambio de correa y polea en el motor del ventilador. El cambio en la velocidad devuelve el flujo al valor Q1 original y reduce el requisito de potencia de bhp1 a bhp2 como se muestra en la Figura 12. El cambio de la velocidad fija proporciona un 100 % de recuperación de energía y es económico. Para el sistema de ejemplo con un motor de 40 hp, el coste es de aproximadamente 300 dólares y requerirá que dos operarios de mantenimiento trabajen aproximadamente medio día en su instalación.

Figura 12. Efecto del cambio de correas y poleas.
Historia real de ejemplo

Una planta grande de gestión de grano y procesamiento de semillas para aceite, en el sur de EE. UU., tenía 35 captadores de polvo con filtro de mangas, equipados con filtros de tela. Bajo presión para reducir el coste de la energía, y después de extensas investigaciones sobre los medios filtrantes de alto rendimiento, se tomó la decisión de adaptar un captador con medios filtrantes hidroentrelazados. La intención era que los nuevos medios redujeran la pérdida de presión en todo el captador en 2″ wg, y el ahorro de energía resultante con los 35 captadores equipados con estos medios sería significativo.

La figura 13 muestra los datos del análisis. El flujo de aire se estableció en 12 900 cfm.  La pérdida de presión del fieltro perforado con aguja fue de 5″ wg y las mangas hidroentrelazadas se estabilizaron a 3″ wg. El ventilador era un ventilador con aspas radiales con una eficiencia del 63 %. Se utilizó una eficiencia de transmisión/motor eléctrico del 90 %.  La planta funciona las 24 horas del día, los 7 días de la semana, 51 semanas al año. Su coste eléctrico era de 0,09 dólares por kW hora.

Figura 13. Datos de pruebas in situ de Dura-Life.

Además de estabilizarse a una menor pérdida de presión, los elementos filtrantes hidroentrelazados también duraban el doble. Cuando el responsable de planta calculó todo (los ahorros de mano de obra por menos cambios de filtros, el coste gradual del cambio del motor y el aumento en los costes de las mangas), el tiempo de amortización era de 3,8 meses. 

Simplemente al comprar e instalar los filtros de manga hidroentrelazados e instalar nuevas poleas para una menor velocidad, la planta determinó que podrían ahorrar más de 77 000 dólares al año si los 35 captadores de polvo se reacondicionaban.

Resumen

El aire tiene peso, y se usa una cantidad considerable de energía para moverlo dentro de los sistemas de ventilación industrial. Para minimizar el coste de energía y, por lo tanto, el coste del producto, se debe ejercer un buen criterio de ingeniería al diseñar nuevos sistemas y sistemas alternativos. En los sistemas existentes, busque productos alternativos como mangas con acabados de filtros mejorados, medios de rendimiento avanzados y/o una configuración de medios filtrantes innovadores con el objetivo de reducir la pérdida de presión en el sistema. Todas estas posibles soluciones pueden representar un coste inicial más alto, pero cuando se considera el ahorro de energía, cualquiera puede proporcionar ahorros generales a largo plazo.

¹ Energy Information Administration, DOE/EIA - 0384, June 2007, The National Energy to Electricity Balance for 2006 [Administración de Información Energética, DOE/EIA-0384, junio del 2007, Balance nacional de energía a electricidad para el 2006].

² Orador, Bart van de Velde, Rockwell Automation, Ponencia en la Donaldson International Technical Conference [Conferencia técnica internacional de Donaldson], noviembre del 2007, Lovaina, Bélgica.

³ Buffalo Forge Co., Fan Engineering [Ingeniería de ventiladores], 8.ª Edición, 1983.

⁴ Air Movement and Controls Association, Inc., Publicación de AMCA 201-90, Fans and Systems [Ventiladores y sistemas].

Duct Cost [Coste de conductos], Brian McAlpine, Nordfab Co Inc.

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